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Prof.Dr.-Ing. Herbert Wilhelmi Richtericher Straße 36 5100 Aachen
Dr.-Ing. Siegfried Strämke Erkwiesenstraße 12 5100 Aachen Herrn Dipl.-Ing. Horst
Müller Freiherrenstraße 11 5100 Aachen Plasma-Reaktor Die Erfindung betrifft einen
Plasma-Reaktor mit einem an einem Ende an eine Plasmagasquelle angeschlossenen Kanal,
dessen'Wand von Induktionsspulen umgeben ist, und mit einer Zündeinrichtung für
das Plasmabogen.
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Bekannt sind Plasma-Generatoren, bei denen in einem senkrecht stehenden
Kanal durch eine Zündeinrichtung ein Plasma erzeugt wird, das durch den Kanal umgebende
Induktionsspulen, in denen ein starker HF-Strom fließt, aufrechterhalten wird. Das
Plasmagas wird von unten oder von oben her in den Kanal eingeleitet. Da mit dem
übergang in den Plasmazustand eine erhebliche Volumenvergrößerung verbunden ist,
entsteht in dem Kanal eine sehr starke Strömung. Die eingeführten Gase oder Feststoffe
bleiben somit nur eine sehr kurze Zeit in dem unter der Einwirkung der Haupt-Induktionsspule
stehenden Plasmabereich. Diese kurzzeitige Einwirkung des Plasmazustandes reicht
in der Regel zur Durchführung von chemischen Reaktionen oder technischen Umsetzungen
nicht aus. Eine
Erweiterung des Bereichs der Haupt-Induktionsspule
zur Vergrößerung der Plasmastrecke verbietet sich aus verschiedenen Gründen. EinmaL
besteht bei einer zu großen Länge der Induktionsspule die Gefahr, daß das sehr heiße
Plasma die Wand des Kanals beschädigt und zum anderen ist die Stabilität eines Plasmas
außerordentlich kritisch. Im Plasma entstehen unter der-Wirkung magnetohydrodynamischer
Strömungen Strömungswalzen, die zu Instabilitäten führen. Solche Instabilitäten
können zur Folge haben, daß das Plasma vollständig abreiß oder in Schwingungen gerät
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasma-Generator der eingangs genannten
Art zu schaffen, der den Aufbau einer langen Plasmastrecke ermöglicht, um die Verweildauer
von Gasen oder Festkörpern, die in das Plasma eingeführt werden, ZU verlängern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß im Anschluß
an eine Plasmabildungszone mit einer Haupt-Induktionsspule mit größerer Windungszahl
in Strömungsrichtung des Plasmagases mehrere weitere Induktionsspulen mit kleinerer
Windungszahl hintereinander vorgesehen sind und daß zwischen den mit gegenwertigen
Abständen angeordneten weiteren Induktionsspulen Kühlzonen angeordnet sind.
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Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß ein von einer
stromdurchflossenen Haupt-Induktionsspule aufrechterhaltendes Plasma sich gefahrlos
über einen größeren Bereich verlängern läßt, wenn weitere Induktions-
zonen
und Kühlzonen einander abwechselnd angeordnet sind. In den Kühlzonen erfolgt eine
Einschnürung des Plasmastrahles und in den Induktionszonen wieder eine Aufweitung.
Auf diese Weise kann die Plasmagrenze kontrolliert im Abstand von der Wand des Kanals
qehalten und eine relativ störungsfreie Plasmaströmung erzielt werden, ohne daß
das Plasma abreißt und ohne daß Strömungswalzen entstehen.
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Die Kühlzonen bestehen im einfachsten Fall aus windungsfreien Abstrahlflächen
der' Wand des Kanals. Da im Plasma sehr hohe Temeraturen bis zu 10 0000 K erzielt
werden können, besteht ein hoher Temperaturgradient zwischen der Wand des Kanals
und der Umgebung. Aus diesem Grunde ist die Wärmeabstrahlung entsprechend hoch.
Sollte die Wärmeabstrahlung nicht ausreichen,um die erforderliche Kühlung zu bewirken,
können im Bereich der Kühlzonen zusätzliche Kühlrohre angebracht werden, die von
einer Kühlflüssigkeit durchflossen werden.
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Die bekannten Plasma-Reaktoren sind bezüglich der Möglichkeit der
Zuführung von Reaktions- oder Kühlgasen in den Plasmabereich sehr empfindlich. Verschiedene
Gase rufen, wenn sie in den Plasmabereich eingedüst werden, Instabilitäten des Plasmas
hervor.
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Dies liegt daran, daß bei den üblichen Plasma-Reaktoren die Plasmazone
im wesentlichen auf den Bereich einer einzigen Induktionsspule beschränkt ist. In
diesem Bereich sind die Strömungs- und Wärmeverhältnisse bezüglich der Aufrechterhaltung
des Plasmas außerordentlich kritisch. Bei dem erfindungsgemäßen Plasma-Reaktor
bildet
der von der Haupt-Indu]ctionsspule umschlossene Bereich dagegen nur den Einlaufbereich,
in dem das Plasmagas in den Plasmazustand überführt wird. Gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung mündet in mindestens einer Kühlzone ein Einlaß für ein
Reaktions-oder Kühlgas in den Randbereich des Kanales. Da die Einmündungsstelle
oberhalb des Fußbereichs der Plasmazone liegt, lassen sich hier auch solche Gase
eindüsen, die bei Eindüsung in den Fußbereich Instabilitäten des Plasmas verursachen
können.
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Der Einlaß für das Reaktions- oder Kühlgas 1 et udet vor zugsweise
in Strömungsrichtung des Plasmagases in den Kanal. Beim Eindüsen von Kühlgas wird
das Kühlgas an den Wänden des Kanals entlanggespült, wodurch örtlichen Überhitzungen
der Wände entgegengewirkt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Plasma-Reaktor ermöglicht eine lange Verweildauer
der zu behandelnden Substanzen im Plasma. Dies wird einerseits dadurch erreicht,
daß die Plasmazone gegenüber den bekannten Reaktoren verlängert ist,und andererseits
durch eine möglichst geringe Strömungsgeschwindigkeit im Plasma. Die Strömung wird
zum Teil durch die schlagartige Volumenvergrößerung der Gase beim Ubergang in den
Plasmazustand bewirkt. Um die Strömungsgeschwindigkeit niedrig zu halten, kann der
Kanal eine sich in SLrömungsrichtung vergrößernde Que;-schnittsfläöhe aufweisen.
Die Querschnittsfläche kann sich stufenweise vergößern, wobei die Stufen vorzugsweise
jeweils im Bereich von Kühlzonen angeordnet sind.
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In den Kühlzonen strahlt die Wand des Kanales in erheblichem Umfang
Wärme ab. Diese Wärme wird dem Plasma entzogen, das hierdurch Einschnürungen erfährt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kanalwand in den Bereichen
der Kühlzonen Einschnürungen auf, so daß sie sich an die Form der umschlossenen
Plasmazone anpaßt. Inden Einschnürungen können Kühlrohre, teilweise versenkt, angeordnet
sein.
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Das starke Magnetfeld in dem von der Haupt-Induktionsspule umschlossenen
Fußbereich muß sich kontinuierlich verringern, damit im Fußbereich des Plasmas Wirbel
und Strömungswalzen definiert entstehen. Zur Schaffung eines solchen Übergangs ist
in Strömungsrichtung des Plasmagases vor der Haupt-Induktionsspule eine Hilfsspule
angeordnet, deren Windungszahl kleiner ist als die der Haupt-Induktionsspule, jedoch
größer als die der weiteren Induktionsspulen.
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Die Frequenz der in das Plasma induzierten Ströme bestimmt aufgrund
des Skin-Effektes, deren Eindringtiefe in das Plasma. Um ein stabiles Plasma zu
erzeugen, ist es wichtig, im Fußbereich des Plasmas im wandnahen Außenbereich eine
hohe Temperatur zu erzeugen, während weiter oben, im Bereich der weiteren Spulen
zur Aufrechterhaltung des Plasma, eine höhere Energieeinbringung im achsnahen Bereich
erforderlich ist. Zur Erzielung der entsprechenden Temperaturverteilung werden vorzugsweise
die weiteren Induktionsspulen mit einer Frequenz betrieben,
die
wesentlich niedriger ist als die der HauDt-Induk--tionsspule. Die Haupt-Induktionsspule
wird zweckmaßigerweise mit einer im Megahertz-Bereich liegenden Frequenz betrieben,
während die darüber angeordneten weiteren Spulen mit einer Frequenz im Kilohertz-Bereich
betrieben werden Diese hat den Vorteil,. daß eine aufwendige Hochfrequenzerzeugung,
die bei den erforderlichen hohen Leistungen in der Regel nur mit einem Röhren-Hochfrequenzgenerator
erreicht werden kann, nur für die Haupt-Induktionsspule erforderlich ist. Für die
Versorgung der weiteren Induktionsspulen kann ein Wechselstromgenerator z.B. sn
Form einer mechanisch angetriebenen Rotationsmaschine benutzt werden. Solche Wechselstromgeneratoren
sind wesentlich billiger und haben kleinere Verluste als Röhrengeneratoren.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste
Ausführungsform des Plasma-Reaktors, Figur 2 einen Längsschnitt durch eine zweite
Ausführungsförm des Plasma-Reaktors mit Zuführmöglichkeiten für Reaktionsgase, Figur
3 eine dritte Ausführungsform mit Zu für
möglichkeiten für Kühlgase
und sich nach oben erweiterndem Querschnitt des Kanals, Figur 4 eine vierte Ausführungsform
mit sich nach oben erweiterndem Querschnitt des Kanals und Versorgung der Spulen
mit unterschiedlichen Stromfrequenzen, und Figur 5 eine fünfte Ausführungsform mit
Einschnürungen der Wand des Kanals in den Kühlzonen.
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Bei dem Plasma-Reaktor der Figur 1 wird das Plasma in einem Kanal
10 erzeugt, dessen Wand 11 aus einem aufrechtstehenden Rohr aus Quarzglas besteht.
Anstelle von Quarzglas kann auch ein anderer hoch-hitzebeständiger Werkstoff, z.B.
Keramik benutzt werden, der z.B. mittels einer Flüssigkeit gekühlt sein kann. Das
untere Ende des Kanals 10 ist abdichtend in einen Anschlußblock 12 eingesetzt, der
einen ringförmigen Kanal 13 zum Einführen des durch eine Leitung 14 zugefuhrten
Plasmagases in das Innere des Kanals 10 aufweist. Der ringförmige Kanal 13 umgibt
koaxial einen Halter 15 für eine aus Graphit bestehende Elektrode 16, die koaxial
in das Innere des Kanals 11 hinein vorsteht und zum anfänglichen Zünden des Plasmabogens
dient. Das Innere des Elektrodenhalters 15 ist an eine Kühlwasserleitung 17 und
an eine Rücklaufleitung 18 angeschlossen. Die aus dem ringförmigen Kanal 13 in den
Kanal 10 hineinführenden Auslässe und die Elektrode 16 sowie deren-Halter 15 sind
von einem zylindrischen Glasrohr 19 umschlossen, das aus hitzebeständigem Glas besteht
und an seiner vorderen und rück-
wärtigen Stirnseite offen ist.
Das Glasrohr 19 ist seinerseits von einem Glaszylinder 20 umgeben, der mit dem unteren
Bereich der Wand 11 einen Ringraum bildet, in den durch eine Leitung 21 ein Kühlgas
in den Kanal 11 eingeleitet wird. Das Kühlgas, vorzugsweise ein Edelgas, streicht
an der Wand des Kanals 10 entlang und bewirkt eine Filmkühlung dieser Wand.
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Im Abstand über dem oberen Ende des Zylinders 20 befindet sich eine
Hilfsspule 22 aus mehreren um die Wand des Kanals 10 herumgewickelten Windungen.
Im Abstand über der Hilfsspule 22 ist die Haupt-Induktionsspule 23 angeordnet, deren
Windungszahl dem zwei- bis dreifachen der Windungszahl der Hilfsspule 22 entspricht.
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über der Haupt-Induktionsspule 23 sind weitere Spulen 24,25,26 und
27 angeordnet, von denen jede erheblich weniger Windungen hat als die Haupt-Induktionsspule
23.
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Im vorliegenden Fall hat jede der weiteren Spulen 24 bis 27 nur zwei
Windungen. Zwischen jeweils zwei benachbarten weiteren Spulen 24 bis 27 befindet
sich eine Kühlzone 28, in der die Wand 11 weder von einer Spule umgeben noch auf
andere Weise abgeschirmt ist. In den Bereichen der Kühl zonen 28 strahlt die Wand
des Kanals 10 Wärme ab.
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Die Haupt-Induktionsspule 23, die Hilfsspule 22 und die weiteren Spulen
24 bis 27 bestehen jeweils aus elektrisch leitfähigem Rohrmaterial, das von Kühlflüssigkeit
durchflossen ist. Die Spulen sind an hochfrequente
Wechselstromquellen
angeschlossen, so daß in einem leitfähigen Medium,das sich im innern des Kanals
10-befindet, Ströme induziert werden.
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Nach dem Zünden des Plasma-Bogens werden durch die in den Spulen fließenden
Ströme im Plasma Ströme induziert, wodurch der Plasmazustand aufrechterhalten wird.
Das Plasma 29 nimmt dabei etwa die in Figur 1 angedeutete Gestalt an, wobei im Innern
des Plasmas Temperaturen von 8000 bis 10 0000 K entstehen.
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Der Fuß- oder Kernbereich 30 des Plasmas bildet sich hauptsächlich
in dem von der Haupt-Induktionsspule 23 umschlossenen Abschnitt aus und erstreckt
sich nach oben bis in däs Innere der Spule 24 und nach unten bis in das Innere der
Hilfsspule 22. In diesem Kernbereich muß eine möglichst laminare Plasmaströmung
erzielt werden.
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Das Plasma 29 setzt sich vom Kernbereich 30 aus nach oben hin fort,
wobei jeweils in den Kühlzonen 28 leichte Einschnürungen in der Form des Plasmas
festzustellen sind. In den Bereichen der weiteren Spulen 25,26 und 27 entstehen
durch die dort erfolgende Wärmezufuhr wieder leichte Ausbauchungen.
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Auf die beschriebene Weise kann durch Ansetzen weiterer Spulen und
Kühl zonen das Plasma beliebig nach oben verlagert werden. Der Kanal 10 ist am oberen
Ende offen.
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Er kann mit einem haubenförmigen Abzug 32 bedeckt sein,
der
sich nach oben hin verjüngt. Durch die in der Haube 32 entstehende hohe Strömungsgeschwindigkeit
wird das Eindringen äußerer Verunreinigungen in den Kanal 10 verhindert.
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Infolge der großen Länge des Plasmas 29 ergibt sich eine große Verweildauer
von Gasen und anderen Substanzen, die in das in das Plasma eingeführt werden, im
Plasma. In dem Plasma ]cönnen Zersetzungsreaktionen durchgefthrt werden, z.B.
Auch die Reduktion von Metallen und Halbleitern ist m nlich
Weitere Anwendungen sind die Herstellung von Nitriden und Carbiden, z.B.
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TiC und TiN sowie das Spherodosieren. Sofern Feststoffe behandelt
werden sollen, werden diese von oben her in den senkrechten Kanal 10 eingeführt,
wobei sie sich entgegen der Gasströmung im freien Fall durch das Plasma 29 hindurchbewegen.
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Der in Figur 2 dargestellte Plasma-Reaktor entspricht weitgehend demjenigen
der Figur 1, so daß nachstehend nur die Unterschiede erläutert werden. In den Kühlzonen
28 sind um die Wand 11 des Kanals 10 Ringleitungen 33 gelegt, die radial in den
Kanal 10 mündende Auslaßöffnungen aufweisen. Diese Ringleitungen 33 sind an Anschlußleitungen
für Reaktionsgase angeschlossen. Die Reaktionsgase werden somit radial in das Plasma
eingedüst, und zwar in den. Bereich oberhalb des Fußbereichs 30, in dem das Plasma
relativ stabil ist, so daß nicht
die Gefahr des Kollabierens des
Plasmas besteht.
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Ein Reaktionsgas kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen durch
eine bestimmte Ringleitung 33 hindurch zugeführt werden, wobei die Wahl des Zuführungsortes
in das Plasma wählbar ist. Das zugeführte Reaktionsgas-dient gleichzeitig der Kühlung
und örtlichen Einschnürung der Plasmasäule.
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Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 entspricht in dem unteren Teil
der Konstruktion bis einschließlich des Fußbereichs 30 demjenigen der Figuren 1
und 2. In jeder Kühlzone 28 befindet sich ein Stufenabsatz 34, an dem eine stufenförmige
Erweiterung des Querschnitts des Kanales 10 erfolgt. An jedem der Stufenabschnitte
34 ist eine den Kanal 10 umgebende Ringleitung 35 vorgesehen, durch die ein Reaktions-
oder Kühlgas in den Kanal eingedüst werden kann. Die von den Ringleitungen 35 in
den Kanal 10 mündenden Düsen 36 sind parallel zur Wand des Kanals 10 angeordnet
und blasen daher das zugeführte Gas an der Wand entlang. Die stufenförmigen Erweiterungen
34 dienen zur Volumenanpassung des Kanalquerschnitts an das durch Gas zufuhr und
thermische Ausdehnung vergrößerte Volumen der Strömung, so daß die Strömungsgeschwindigkeit
möglichst gering gehalten wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 hat der Kanal 10 einen einzigen
Stufenabschnitt 37, wo er sich in Strömungsrichtung des Plasmas, also von unten
nach oben, erweitert. Die Erweiterung könnte auch kontinuierlich erfolgen, so daß
sich eine konische Form des oberen
Teils des Kanals ergeben würde.
Die H«upt-Induktionsspule 23 und die Hilfsspule 22 sind an einen Hochfrequenzgenerator
angeschlossen, der eine Frequenz von z.B.
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4 MHz liefert. Die weiteren Spulen 24 bis 27 werden dagegen mit relativ
niederfrequentem Wechselstrom mit einer Frequenz von 10 kHz betrieben.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 sind an den zwischen den weiteren
Induktionsspulen 24 bis 27 angeordneten Kühl zonen 28 Einschnürungen vorgesehen
in denen Kühlrohre 38 bzw. Kühlschlangen verlaufen. Auf diese Weise wird noch wirksamere
Kühlung des Plasmas zwischen den weiteren Spulen 24 bis 27 erreicht. Die Einschnürungen
der Wand des Kanals 10 folgen in ihrer Form im wesentlichen den aus Figur 1 ersichtlichen
Einschnürungen des Plasmas 29 in diesen Bereichen.
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Der Plasmagenerator nach Figur 5 weist keine Zündelektrode auf. Das
Arbeitsgas wird durch eine koaxiale Leitung 39 in das Glasrohr 19 eingeleitet. Durch
eine Leitung 14 wird ein Innengas und durch eine Leitung 21 ein Außengas zugeführt.
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